高性能Cu-Ni-Si系合金研究现状及发展趋势

先进铜基材料具有广阔的市场及良好的发展前景。相比于Cu-Be, Cu-Fe-P, Cu-Cr等合金而言,Cu-Ni-Si系合金具有高强度、较高的导电率、良好的抗高温软化、抗应力松弛性能及低廉的价格等优点,广泛应用于机械制造、航空航天、交通运输、电子和电气工程等工业领域。本文首先介绍了Cu-Ni-Si系合金的发展现状,并从产品性能及产业化方面论述了国内外存在的差异。该合金发展趋势主要是朝着先进高强高导弹性铜合金方向发展,核心挑战是在提升强度的同时保持甚至提高导电性能,并且由于服役环境的复杂化及服役时间的延长,对于材料服役性能的可靠稳定性也提出了更为严苛的要求。最后从成分设计、加工及形变热处理工艺、时效析出行为、服役性能等方面综述了CuNi-Si系合金的研究现状,并针对目前该材料存在的不足,展望了高强度高导电铜合金的未来发展趋势。

行波磁场对Cu-Ni-Si-Mg合金组织和性能的影响

研究了在凝固过程中行波磁场对Cu-Ni-Si-Mg合金组织和性能的影响。结果表明,随着磁场电流强度的增加,在晶粒细化的同时,合金的组织形貌逐渐向等轴晶转变,树枝晶在磁场的作用下尺寸不断减小。磁场电流为90 A时晶粒细化效果最好,铸锭几乎全部由细小的等轴晶组成,晶粒尺寸降至(0.5±0.19) mm,相比于未加行波磁场的合金,晶粒细化了约94%。采用透射电子显微镜对显微组织进行观察,并对衍射花样进行标定,发现晶界处的析出相为δ-Ni2Si。在磁场电流为60 A的条件下,合金的拉伸性能最好,与未施加磁场的样品相比,屈服强度提高了41.8%,抗拉强度提高了12.9%,但合金的硬度不受行波磁场影响。本文通过行波磁场细化晶粒,为提高时效强化型铜合金的强度提供了一种可规模化生产的技术。

高溶质含量Cu-Ni-Si合金热压缩变形行为研究

电连接器用铜合金为目前5G通讯、新能源汽车等领域的重要材料,Cu-Ni-Si系合金因其优异的力学电学性能、良好的抗应力松弛性能成为该研究背景下广泛应用的材料。目前尚缺乏热变形制度对该合金显微组织影响机理的研究。本文研究了变形温度在600~950℃、应变速率在0.01~10.00 s-1条件下的高溶质含量Cu-Ni-Si合金铸锭的热变形行为,发现在高应变速率下,硬化和软化在变形过程中交替占据主导地位,流变应力呈“波浪形”变化。建立了合金的热变形本构方程和热加工图,获得了高溶质含量Cu-Ni-Si合金的热变形温度为900~950℃,探究了不同变形条件下合金热变形过程的软化机制。结果表明,在950℃低应变速率时,合金的再结晶主要以晶界弓出形核的不连续动态再结晶为主,而在应变速率较高时,主要发生位错转动合并形成新的大角晶界的连续动态再结晶。

粉末冶金法制备Cu-Ni-Si合金的组织和性能

以单质Cu粉、Ni粉和Si粉为原料,通过热压烧结方法制备Cu含量为94(质量分数,%),Ni、Si质量比为4∶1的Cu-Ni-Si合金。经过900℃固溶处理2 h和450℃时效处理4 h后,采用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析和X射线衍射仪对合金的显微组织和相组成进行了分析。结果表明:合金中只有δ-Ni2Si相形成,且δ-Ni2Si相的组织形貌及分布状态对合金的力学性能和导电率起着决定性的作用;经过时效处理后,析出的δ-Ni2Si相使合金的导电率和维氏硬度都明显提高。

Cu-Ni-Si合金带材表面白线缺陷成因分析

采用能谱仪(EDS)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、表面三维轮廓仪及超声波仪,对Cu-Ni-Si合金带材表面白线缺陷及对应的铸态样品的化学成分和微观形貌进行观察和分析,探讨了白线缺陷的产生原因。结果表明:白线区域宏观上为基体大晶粒,表面覆盖一层不均匀的1~2μm的小颗粒,微观上存在白色孔洞区域、黑色孔洞区域以及孔洞周边颗粒区3种典型形貌,其中孔洞尺寸大小为2~5μm,孔洞深度约为200 nm。经过EDS测试,这3种形貌周围组织中O, Mg, Si元素含量较基体正常部分偏高;白线缺陷对应铸态样品经超声波检测后有缺陷回波,内部存在疏松缺陷,铸态缺陷处形貌与带材白线缺陷处形貌类似,且铸态缺陷处成分同样富含O, Mg,Si元素。因此,带材白线缺陷的产生原因可归结为铸锭内的疏松缺陷经后续加工形成。

超高强度Cu-Ni-Si合金时效过程研究

利用透射电镜研究了Cu Ni Si合金 4 5 0℃时效的组织转变规律。结果表明 ,时效时过饱和固溶体首先发生成分调幅形成贫、富溶质区 ,之后在溶质富集区通过形核、长大产生与基体保持半共格的Ni2 Si相。时效 4h后 ,Ni2 Si相与基体的半共格关系破坏 ,合金硬度显著下降。利用位错理论计算与铜基体保持半共格界面的Ni2 Si相临界尺寸为r=6nm ,与实测数据非常吻合。

超高强度Cu-Ni-Si合金的研究进展

综述了Cu-Ni-Si系合金开发原理、成分设计及制备工艺,归纳总结了该合金性能与Ni、Si元素的质量比值、添加合金元素的种类和数量以及制备技术之间的关系,并介绍了不同工艺路线下Cu-5.2Ni-1.2Si合金时效后硬度和导电率的变化规律。

添加微量元素对Cu-Ni-Si合金性能的影响

分析了微量元素在改善Cu-Ni-Si合金强度同时又影响导电性的机理,综述了Zn、Cr、P、Al等微量元素对Cu-Ni-Si合金硬度、导电率等的影响规律,表明利用合金化规律在Cu-Ni-Si合金中添加不同的微量元素可以得到强度和导电率匹配良好的超高强度Cu-Ni-Si合金。

用导电率研究Cu-Ni-Si-Cr合金时效早期相变动力学

通过对固溶态Cu Ni Si Cr合金时效中电阻变化规律的分析 ,研究了合金时效早期析出行为 ,根据导电率与新相的转变体积分数之间的线性关系 ,得出了在一定温度下合金时效的Avrami相变动力学经验方程和导电率与时效时间的一元方程。在 5 0 0℃时效时合金的相变动力学方程为 :f=1-exp(- 0 0 0 4 0t0 70 0 3) ,在此基础上绘制了“S”曲线及等温转变“C”曲线的开始线。

Cu-Ni-Si合金连续挤压过程中的组织演变及性能

利用光学显微镜、透射电子显微镜(TEM)、维氏硬度仪和万能材料试验机对Cu-Ni-Si合金连续挤压过程中的组织演变和性能特征进行研究。结果表明:Cu-Ni-Si合金在连续挤压过程中发生了第二相颗粒的析出,颗粒大小约为10 nm;与纯铜的连续挤压相比,Cu-Ni-Si合金在连续挤压过程中没有发生明显的动态再结晶,因此,直角弯曲变形区可进一步划分为呈典型织构组织分布的直角弯曲前变形区和直角弯曲后变形区;各变形区的硬度值随着变形量的增加逐渐由95HV上升至194HV,并在粘着区和直角弯曲区出现明显升幅。拉伸实验结果表明:挤压前后,材料的抗拉强度由276 MPa上升至505 MPa,而塑性由22.3%下降至13.4%。

固溶态Cu-Ni-Si合金时效过程的相变动力学

通过分析固溶态Cu-Ni-Si合金时效过程中导电率的变化,根据导电率与新相析出量之间的关系计算时效过程中新相的转变比率,在此基础上,确定不同温度下描述时效析出相转变比率与时效时间的Avrami相变动力学经验方程和导电率随时间变化的导电率方程,绘制出动力学"S"曲线,并且用固态热分解反应机理的积分方程验证用Avrami经验方程来描述合金的析出过程的正确性。对Cu-Ni-Si合金在500℃时效8 h后的析出相进行选区电子衍射花样标定,发现析出相为δ-Ni2Si和β-Ni3Si。

Cu-Ni-Si合金在时效过程中析出与再结晶行为

通过对冷变形Cu Ni Si合金时效过程中电阻率变化规律的分析及透射电镜观察 ,发现该材料在 45 0℃时效处理时 ,时效 0 .5h以内发生的主要转变有两类 :一是在位错缠结处的择优析出 ;另一个便是析出与再结晶协同作用而产生的类似不连续析出过程。这些过程的发生使铜基体得到快速净化 ,电阻率急剧下降。在时效 1.5h后 ,主要发生的是均匀析出过程 ,析出相在被位错胞壁分割的亚晶内均匀析出 ,此外 。

Cu-Ni-Si-Cr合金的时效析出与再结晶

研究了Cu Ni Si Cr合金在时效过程中 ,析出与再结晶的交互作用及其对合金性能的影响。研究结果表明 ,形变使合金时效析出相更加细小、弥散 ,析出对再结晶的形核和长大过程产生阻碍作用。在再结晶的形成和长大过程中 ,析出相在晶界前沿快速粗化或重新溶解 ,并在再结晶区域中重新析出 ,导致更加弥散的析出相分布。

Cu-Ni-Si合金的时效析出与再结晶

通过分析时效期间Cu-Ni-Si合金显微硬度、导电率及微观组织的变化,研究了析出相和再结晶行为的相互作用,以期为该合金多级复合工艺的制定提供参考.研究发现,时效初期析出相对随后的再结晶过程具有强烈阻碍作用.在450、550℃较低温度时效时,合金发生原位再结晶,析出相在其体积分数略微升高或不变的情况下发生粗化;导电率上升趋势为先快后慢并趋于稳定,因而其变化曲线上无峰值出现;显微硬度则由于时效后期析出颗粒粗化,析出强化效果降低而出现峰值.在750℃高温时效时,合金发生不连续再结晶,析出相在体积分数略有降低的情况下发生粗化;导电率先快速上升后缓慢下降,因而出现峰值,而显微硬度由于析出物迅速粗化,一开始就表现为持续下降.

固溶温度对Cu-Ni-Si合金性能的影响

采用大气熔炼工艺制备了Cu-Ni-Si合金,研究了时效前后固溶温度对集成电路引线框架用Cu-Ni-Si合金显微硬度和电导率的影响,并且分析了在800℃固溶后时效对Cu-Ni-Si合金性能的影响。结果表明:时效前随固溶温度的升高,材料的显微硬度和电导率均是首先较快下降,之后又略有回升;Cu-Ni-Si合金经800℃固溶及450℃×8 h时效后,合金得到了良好综合性能,其显微硬度达到241 HV,电导率达到42.5%IACS。

高强度Cu-Ni-Si系引线框架材料研究进展

综述了引线框架用Cu-Ni-Si材料中Ni、Si元素质量比及含量对Cu-Ni-Si合金性能的影响,归纳总结了Cu-Ni-Si合金的强化机制、影响电导率的因素,并简单列举了Cr、Zn、P、Al微量元素加入的机理,介绍了不同热处理工艺对Cu-Ni-Si系合金性能的影响。

低浓度Cu-Ni-Si合金的组织与性能

采用金相显微镜、透射电子显微镜(TEM)等分析测试手段系统研究不同固溶、冷变形与时效组合工艺对低浓度Cu-Ni-Si合金的晶粒尺寸、析出相粒子尺寸及分布规律,同时对合金的力学与电学性能进行测试。结果表明,相对于其他四种工艺制度,低浓度Cu-Ni-Si合金经过立式在线固溶处理+冷变形+时效组合形变热处理工艺后,合金组织晶粒更加细小(平均晶粒尺寸为25μm),析出相分布更加弥散,抗拉强度为579MPa,屈服强度为521MPa,屈强比为0.9,伸长率为9%,导电率为52.2%IACS;与常用汽车连接器用C70250和TMg0.5合金综合性能进行对比,低浓度Cu-Ni-Si合金具有优良的综合性能,在大功率电流使用时表现出良好的散热性及可靠的尺寸稳定性,可作为高强高导弹性材料广泛应用于汽车连接器等领域。

高性能Cu-Ni-Si合金材料的研究进展

概述了高性能Cu-Ni-Si合金材料的研究现状,介绍了该类材料的合金化特点、时效过程中的组织转变规律以及处理工艺对性能的影响。并指出今后的研究重点是:采用多元微合金化和多相强化技术对合金进行设计;基于计算机模拟技术,从电子、原子层面对时效过程的微观组织及相变进行分析研究;研究了新的复合处理工艺,以进一步提高Cu-Ni-Si合金材料的性能。

基于热轧流程下Cu-Ni-Si合金组织和性能演变规律

利用扫描电镜、透射电镜、金相显微镜及显微硬度仪等研究了Cu-Ni-Si合金在铸态、热轧态、固溶态、冷轧和时效态的显微组织、晶粒取向及大小和析出相的演变过程,分析热轧流程中各类组织及工艺状态对合金性能的影响规律。结果表明:合金成分是影响枝晶偏析和再结晶程度的关键,热轧后晶粒择优取向明显,发生部分再结晶,晶格畸变程度增大,导电率明显下降;随着固溶温度的升高和固溶时间的延长,合金抗拉强度、硬度和导电率均呈下降趋势,合金经900℃、1 h处理后达到最佳固溶效果,?3晶界达到35.2%,大角晶界达到了64.4%,晶粒取向均匀;冷轧后,晶粒被拉长、撕碎,基体产生大量缺陷,为时效析出提供核心作用;冷轧变形量越大,时效析出动力越强,析出相越细小、均匀,综合性能越好;合金在经450℃、3h处理后达到最佳时效效果,硬度为259HV,导电率为36.5%IACS。

Cu-Ni-Si合金时效析出相的长大机制研究

通过测量导电率研究了Cu-3．2Ni-0．75Si-0．30Zn合金在时效过程中的调幅分解行为。结果表明,合金在450℃时效时按照调幅分解机制经历了三个序列:溶质富集区→半共格Ni2Si相→非共格Ni2Si相。即随时效时间的延长,溶质原子富集区出现有序化,形成与基体半共格的强化相(Ni2Si)。继续时效,强化相不断析出与长大, 半共格关系被破坏,最终在表面张力的作用下逐渐球化,导电率和显微硬度上升趋势随之减弱。